乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征

高 磊 倪富健 羅海龍 楊美坤

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

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乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征

高 磊 倪富健 羅海龍 楊美坤

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

為了研究乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征之間關(guān)系,通過(guò)測(cè)定滲透系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其透水性，并利用工業(yè)CT掃描觀(guān)測(cè)其內(nèi)部細(xì)觀(guān)空隙結(jié)構(gòu).根據(jù)乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生過(guò)程中空隙率的變化,探究水泥和水對(duì)其空隙形成的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn),乳化瀝青冷再生混合料在較高的空隙率下具有相對(duì)較低的透水性;其平均空隙尺寸略小于同級(jí)配的熱拌瀝青混合料,且大空隙較少,小空隙較多;乳化瀝青冷再生混合料的空隙由壓實(shí)空隙和養(yǎng)生空隙構(gòu)成,水分的蒸發(fā)和水泥用量對(duì)養(yǎng)生空隙的形成具有顯著的影響,隨著水分的蒸發(fā)和水泥的水化,乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部形成了許多養(yǎng)生空隙;乳化瀝青冷再生混合料的空隙尺寸以及分布特征是造成其低透水性的重要因素．

冷再生混合料;滲透系數(shù);CT掃描;空隙特征

就地冷再生技術(shù)(cold in-place recycling,CIR)是國(guó)外瀝青路面的養(yǎng)護(hù)、維修和升級(jí)的常規(guī)方式之一[1]．它不僅可以充分利用舊瀝青混凝土,節(jié)約資源,而且能夠消除舊路病害,同時(shí)可以保持路面標(biāo)高,重建道路輪廓,改善橫坡,從而提高道路等級(jí)[2]．乳化瀝青冷再生是以乳化瀝青作為再生劑,適當(dāng)添加水泥、新集料等材料對(duì)舊瀝青混合料進(jìn)行再生利用的一項(xiàng)技術(shù)[3]．該技術(shù)的推廣與應(yīng)用對(duì)我國(guó)道路養(yǎng)護(hù)工程產(chǎn)生了積極的影響,但目前國(guó)內(nèi)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的認(rèn)識(shí)還不深入,許多方面還有待研究．

普通密級(jí)配熱拌瀝青混合料的空隙率較小,空隙飽水較少,在荷載作用下一般不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力,有一定的抗水損害能力;而空隙率在15%以上的排水瀝青混合料一般都采用改性瀝青,且水分能夠及時(shí)排出,不易發(fā)生水損害[4]．而乳化瀝青冷再生混合料的空隙率通常在8%～14%之間,恰好處在最不利的范圍內(nèi),但實(shí)際工程表明,乳化瀝青冷再生混合料具有低透水性的特征[5]．

為了評(píng)價(jià)乳化瀝青冷再生混合料的透水性能,本文測(cè)定了乳化瀝青冷再生混合料與其他熱拌瀝青混合料的滲透系數(shù),對(duì)比分析乳化瀝青冷再生混合料的透水性．采用工業(yè)CT掃描技術(shù),觀(guān)測(cè)乳化瀝青冷再生混合料的內(nèi)部空隙特征,并與普通密級(jí)配熱拌瀝青混合料進(jìn)行比較.分析乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)對(duì)其透水性的影響．最后,通過(guò)研究乳化瀝青冷再生混合料在養(yǎng)生過(guò)程中空隙率的變化規(guī)律,進(jìn)一步揭示了乳化瀝青冷再生混合料中空隙形成的原理．

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的回收瀝青路面材料(reclaimed asphalt pavement,RAP)來(lái)自于實(shí)際工程．由于舊料中細(xì)集料較少,需要摻加粒徑4.75 mm以下的新料,摻量為15%．冷再生混合料的舊料級(jí)配、新料級(jí)配以及合成級(jí)配如表1所示,滿(mǎn)足冷再生規(guī)范要求,屬于中粒式級(jí)配．根據(jù)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果,確定慢裂性乳化瀝青摻量為3.6%,通過(guò)拌合試驗(yàn)確定的最佳水摻量為2.9%,水泥摻量為1.5%．

表1 乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配

2 滲透系數(shù)測(cè)定及結(jié)果分析

2.1 合理水力梯度確定

滲透系數(shù)是反映孔隙介質(zhì)透水能力的一個(gè)綜合指標(biāo)．當(dāng)水流速度較慢時(shí),在水頭差的作用下,斷面的滲透平均速度與水力梯度成正比,即達(dá)西定律．滲流的流態(tài)可用雷諾數(shù)Re來(lái)判斷,由于乳化瀝青冷再生混合料的合成級(jí)配中,10%通過(guò)率的集料尺寸介于0.3～0.6 mm之間,用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法計(jì)算得到10%通過(guò)率的顆粒直徑為0.455 mm,參考滲透系數(shù)測(cè)試方法,根據(jù)土壤材料常用的滲流雷諾數(shù)計(jì)算公式,計(jì)算得到滲流速率v的上限范圍為0.251～2.51 cm/s[6]．

2.2 滲透系數(shù)測(cè)定方法

滲透系數(shù)分為橫向和豎向滲透系數(shù)．試驗(yàn)前在室溫下靜壓成型15 cm×15 cm×15 cm的立方體試件,試件成型后,根據(jù)養(yǎng)生要求,在室內(nèi)放置12 h,接著放入60 ℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生48 h,然后在室溫下放置,直到裝置的溫度與室溫相同即可進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)定[7]．滲透系數(shù)k的計(jì)算式為

(1)

式中，Q為時(shí)間t內(nèi)滲透經(jīng)過(guò)試件的水質(zhì)量,g;ρw為水的密度,g/cm3;A為試件的橫截面面積,cm2;j為水力梯度;L為試件的有效長(zhǎng)度,cm;h1,h2為兩側(cè)壓管的水位高度讀數(shù)值,cm．

2.3 橫向滲透試驗(yàn)

為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),同時(shí)測(cè)定了乳化瀝青冷再生混合料與相同級(jí)配的普通熱拌瀝青混合料的橫向滲透系數(shù)．為了排除不同空隙率對(duì)結(jié)果的影響,設(shè)定2種混合料的目標(biāo)空隙率均為10%．試驗(yàn)結(jié)束后,采用真空密封法測(cè)定2種瀝青混合料的相對(duì)密度,并計(jì)算實(shí)際空隙率．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的滲透速率與水力梯度的關(guān)系如圖1和2所示．

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在一定的水力梯度范圍內(nèi),2種混合料的橫向滲透速率與水力梯度呈明顯的正比關(guān)系．乳化瀝青冷再生混合料的數(shù)據(jù)點(diǎn)在水力梯度為0.18時(shí),正比關(guān)系減弱,而普通熱拌瀝青混合料的數(shù)據(jù)點(diǎn)在水力梯度為0.12時(shí),正比關(guān)系就開(kāi)始減弱．分別對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)前的數(shù)據(jù)點(diǎn)和所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性回歸．可以看到,轉(zhuǎn)折點(diǎn)前的數(shù)據(jù)回歸擬合度大于所有數(shù)據(jù)回歸的結(jié)果,因此本文選擇前者進(jìn)行對(duì)比分析，并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總,結(jié)果如表2所示．

圖1 乳化瀝青冷再生混合料的橫向滲透結(jié)果

圖2 普通熱拌瀝青混合料的橫向滲透結(jié)果

表2 橫向滲透系數(shù)結(jié)果比較

在假定條件下,2種混合料的空隙率近似相同,但橫向滲透系數(shù)有很大差別,乳化瀝青冷再生混合料的橫向滲透系數(shù)僅為普通熱拌瀝青混合料的49%．由此可見(jiàn),假定具有相同空隙率,乳化瀝青冷再生混合料的橫向滲透性遠(yuǎn)低于相同空隙率的普通熱拌瀝青混合料．

2.4 豎向滲透試驗(yàn)

在豎向滲透試驗(yàn)中,將乳化瀝青冷再生混合料(空隙率10.4%)的滲透試驗(yàn)結(jié)果與普通密級(jí)配熱拌瀝青混合料(空隙率4%)、瀝青碎石(空隙率11%)、不同空隙率大小的排水性瀝青混合料(空隙率為17%,20%,23%,最大公稱(chēng)粒徑均為13.2 mm)的滲透試驗(yàn)結(jié)果[8]進(jìn)行比較,結(jié)果如表3所示．

表3 不同瀝青混合料豎向滲透系數(shù)比較

乳化瀝青冷再生混合料的豎向滲透系數(shù)為普通熱拌瀝青混凝土的1.33倍,但實(shí)際空隙率為后者的2.6倍．乳化瀝青冷再生混合料的實(shí)際空隙率與瀝青碎石接近,但豎向滲透系數(shù)卻為后者的74%．而排水瀝青混合料的豎向滲透系數(shù)均大于2×10-2cm/s,遠(yuǎn)高于乳化瀝青冷再生混合料．因此,乳化瀝青冷再生混合料在較高的空隙率下,卻表現(xiàn)出了相對(duì)較低的透水性．

3 空隙特征

3.1CT掃描技術(shù)

本文利用X-ray CT掃描技術(shù)與圖像處理技術(shù),分析乳化瀝青冷再生混合料的空隙特征．X-ray CT掃描技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)再現(xiàn)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種成像技術(shù)．在射線(xiàn)穿透物質(zhì)過(guò)程中,其強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系衰減,不同物質(zhì)對(duì)射線(xiàn)的吸收系數(shù)不同,從而物質(zhì)的密度可以通過(guò)射線(xiàn)的衰減系數(shù)而體現(xiàn)出來(lái)[9]．因此,根據(jù)CT成像技術(shù)的特點(diǎn),利用圖像處理技術(shù)可以將瀝青混合料中的空隙分割出來(lái).本文采用Compact-225型工業(yè)X-ray CT，乳化瀝青冷再生混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的典型CT掃描斷面圖如圖3(a)所示.采用OTSU的圖像分割方法[10],將空隙從CT斷面圖中提取出來(lái),如圖3(b)所示．

(a) CT掃描斷面圖

(b) 空隙二值圖

3.2 空隙尺寸分布

參考已有研究成果[11-13],本文利用圖像處理技術(shù),對(duì)試件內(nèi)部的空隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得空隙尺寸以及空隙尺寸的分布狀況．經(jīng)過(guò)與室內(nèi)實(shí)測(cè)空隙率的對(duì)比,驗(yàn)證了OTSU方法獲得空隙體積的準(zhǔn)確性．空隙的尺寸可以用等效直徑來(lái)評(píng)價(jià),本文對(duì)中粒式乳化瀝青冷再生混合料CIR-20與普通密級(jí)配熱拌瀝青混合料AC-20的空隙在不同尺寸上的分布進(jìn)行比較分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示．

由圖4可見(jiàn),根據(jù)空隙尺寸的結(jié)果,CIR-20與AC-20的空隙CIR-20與AC-20的空隙率分別為10.4%和4%，平均等效直徑分別為1.3和1.5 mm．雖然CIR-20的空隙率遠(yuǎn)大于AC-20,但是CIR-20的平均等效直徑還略小于AC-20．CIR-20與AC-20的空隙分布在0.1～1.0 mm(小空隙)的比率分別為14%和7%,在4～10 mm(大空隙)的比例分別為8%和27%．可以看出,相比于AC-20,CIR-20的小空隙要偏多,大空隙偏少．CIR-20空隙最多分布在1～2 mm,而AC-20的空隙最多分布在2～3 mm．試件中小空隙偏多不利于空隙的連通,因此,與普通密級(jí)配熱拌瀝青混合料相比,乳化瀝青冷再生混合料在空隙尺寸大小以及分布上的差異可能是造成其在較高空隙率下表現(xiàn)出相對(duì)較低透水性的原因之一．

圖4 CIR-20與AC-20的空隙尺寸分布圖

4 空隙形成

水和水泥的摻入可能會(huì)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的內(nèi)部空隙產(chǎn)生較大的影響．因此,將水和水泥作為影響因素,研究乳化瀝青冷再生混合料的空隙率在養(yǎng)生過(guò)程中的變化規(guī)律,進(jìn)而分析乳化瀝青冷再生混合料的空隙形成．

4.1 養(yǎng)生過(guò)程中空隙率的變化

本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型了18個(gè)試件,平均分為2組,一組沒(méi)有摻加水泥,另外一組摻加了1.5%的水泥,成型后測(cè)量試件的毛體積密度.然后按照常溫下放置12 h,60 ℃通風(fēng)烘箱中放置48 h,常溫下放置24 h的順序?qū)υ嚰M(jìn)行養(yǎng)生,并在每個(gè)養(yǎng)生階段結(jié)束后再次測(cè)量試件的毛體積密度.最后計(jì)算每個(gè)試件在每個(gè)階段的空隙率．試驗(yàn)結(jié)果如表4所示．

從2組試件在養(yǎng)生過(guò)程中平均空隙率的變化可見(jiàn),隨著養(yǎng)生的進(jìn)行,試件的平均空隙率呈增大的趨勢(shì),因?yàn)槿榛癁r青破乳的過(guò)程也就是水分蒸發(fā)的過(guò)程,隨著水分的蒸發(fā),試件內(nèi)會(huì)留下許多小空隙,從而使整個(gè)試件的空隙率增大．在60 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生48 h后,試件的平均空隙率迅速增大,在這一階段,試件的水分蒸發(fā)較快,這從另一方面驗(yàn)證了水分的蒸發(fā)使得試件空隙率增大．另外,在養(yǎng)生后,水泥在水化過(guò)程中需要水,進(jìn)一步減少了試件內(nèi)部水分的含量,并且水泥在水化后體積收縮,從而形成了更多的空隙．

壓實(shí)成型過(guò)程是主要的空隙形成階段．所以,乳化瀝青冷再生混合料的空隙由壓實(shí)形成的空隙和養(yǎng)生形成的空隙構(gòu)成．其中,養(yǎng)生形成的空隙與水分的蒸發(fā)和水泥用量有關(guān),隨著水分的蒸發(fā)和水泥的水化,乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部形成了許多養(yǎng)生空隙．

表4 養(yǎng)生過(guò)程中試件空隙率的測(cè)定結(jié)果

4.2 影響因素敏感性分析

為了分析水分的蒸發(fā)和水泥的摻入對(duì)乳化瀝青冷再生混合料空隙率影響的敏感性,本文對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有交互作用的雙因素方差分析．因素為養(yǎng)生時(shí)間(4個(gè)水平)、水泥用量(2個(gè)水平),因變量為空隙率．分析在不同養(yǎng)生時(shí)間(成型結(jié)束后、常溫12 h后、烘箱48 h后、常溫24 h后)以及是否摻入水泥對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的空隙率形成的影響．雙因素方差分析的結(jié)果如表5所示,置信水平為95%．

表5 雙因素方差分析結(jié)果

由表5可以看出,養(yǎng)生時(shí)間對(duì)乳化瀝青冷再生混合料空隙率的影響非常顯著,這也間接說(shuō)明水分的蒸發(fā)對(duì)空隙率有較大的影響,而水泥的摻入也對(duì)空隙率的形成有一定影響．養(yǎng)生時(shí)間與水泥的交互作用對(duì)空隙率的影響并不顯著,說(shuō)明養(yǎng)生時(shí)間和水泥用量2個(gè)因素對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的影響是相互獨(dú)立和互不干擾的．

5 結(jié)論

1) 通過(guò)測(cè)定乳化瀝青冷再生混合料的橫向、豎向滲水系數(shù)發(fā)現(xiàn),乳化瀝青冷再生混合料在較高的空隙率下卻具有相對(duì)較低的透水性．

2) 乳化瀝青冷再生混合料的平均空隙尺寸略小于同級(jí)配的熱拌瀝青混合料,且乳化瀝青冷再生混合料的大空隙偏少,而小空隙偏多．

3) 乳化瀝青冷再生混合料的空隙由壓實(shí)空隙和養(yǎng)生空隙形成,水分的蒸發(fā)和水泥用量對(duì)養(yǎng)生空隙的形成具有顯著的影響,隨著水分的蒸發(fā)和水泥的水化,乳化瀝青冷再生混合料內(nèi)部形成了許多養(yǎng)生空隙．

4) 乳化瀝青冷再生混合料的空隙尺寸以及空隙尺寸分布特征可能是產(chǎn)生乳化瀝青冷再生混合料的低透水性的原因之一,但需要從空隙連通的角度,綜合考慮水泥水化等作用,利用更多的手段,進(jìn)一步研究證實(shí)．

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Permeability and air voids of cold recycled mixtures with asphalt emulsion

Gao Lei Ni Fujian Luo Hailong Yang Meikun

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The relationship between the permeability and air voids of cold recycled mixtures with asphalt emulsion was studied. The hydraulic conductivity was used to evaluate the permeability and the CT(computed tomography) scanning was applied to find the characteristics of air voids. The effects of Portland cement and water were evaluated according to the change of air void content. The results show that the cold recycled mixture has a relatively low permeability under a relatively high air void content. The average air void size of cold recycled mixture is a little smaller than that of hot mix asphalt mixture, with less air voids in large size and more air voids in small size. The air voids of cold recycled mixture are developed during compaction and curing time. In the process of curing, the evaporation of water and hydration of cement affect the air void content significantly leading to the formation of more air voids. The size and distribution of air voids are important factors that contribute to the relatively low permeability of cold recycled mixture.

cold recycled mixtures; hydraulic conductivity; computed tomography scanning; air voids

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.029

2014-10-18. 作者簡(jiǎn)介: 高磊(1988—)，男，博士生；倪富健(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，nifujian@gmail.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178113)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ13_0113)、東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育基金資助項(xiàng)目.

高磊,倪富健,羅海龍,等.乳化瀝青冷再生混合料的透水性與空隙特征[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(3):581-585.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.029

U414

A

1001-0505(2015)03-0581-05